JP4918913B2 - 光集積装置、光出力方法並びにその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は外部共振器型レーザと光機能素子が集積された光集積装置、光出力方法並びにその製造方法に関する。

本発明に関する現時点での技術水準をより十分に説明する目的で、本願で引用され或いは特定される特許、特許出願、特許公報、科学論文等の全てを、ここに、参照することでそれらの全ての説明を組入れる。

異なる光を搬送する波長分割多重（ＷＤＭ）光ネットワークにおいて、データストリームによってそれぞれデジタルに変換されて結合し、一つの光ファイバを通して伝送がなされる。これらの搬送波の波長は国際電気通信連合（ＩＴＵ）の標準波長として決定される。将来、波長可変レーザ光源は、大量のＩＴＵチャネル数を設定することができ、光ネットワークの動的な再構成を可能にする。そのような要求を満たす光源の一つとして、外部共振型波長可変レーザは、特許文献１に公開されている。波長可変レーザは、レーザダイオードと、外部共振器を形成する外部反射鏡とを含み、共振器の内部に挿入したバンドパスフィルタである波長選択素子に通過させて選択波長を変化させることにより、レーザの波長の可変範囲を拡大して提供しうる。

図３は、従来の外部共振器型波長可変レーザ装置の構成を示す図である。利得媒質６８ａの片端面には低反射膜６８ｂが施されており、利得媒質６８ａの他方の端面には無反射膜６８ｃが施されている。レーザダイオード６８から出射された光はレンズ６９ｂを通して平行光に変換される。レンズ６９ｂの後方には、反射ミラー６３が配置され、可変光学バンドパスフィルタ６２はレンズ６９ｂと反射ミラー６３との間に配置される。それゆえ、反射ミラー６３と低反射膜６８ｂにより外部共振器を構成している。また、レーザダイオード６８の低反射膜６８ｂの後方には他のレンズ６９ａが配置され、レンズ６９ａを透過したレーザ光は光ファイバ６０を伝送して出力ポート６１から出力される構成になっている。

加えてレーザ波長の調整を可能にするレーザダイオード光源や、光学変調、光学増幅、および光学波長フィルタのような素子の集積化および小型化は、ＷＤＭ光通信ネットワークからの要請である。

図４は、半導体レーザと光変調器をハイブリッド集積したときの光結合を示す概略図である。半導体レーザの光出力が第１のレンズによりコリメートされ、第２のレンズにより再び集光されて光変調器の端面へ入力される。このとき半導体レーザと光変調器との結合損失は１０ｄＢにもなる。このため後段となる光変調器の光出力を考慮すると前段の半導体レーザには高い光出力が要求される。さらに、この方法はパッケージングをたいへん困難にさせ、バルキーなデバイスになってしまう。

結合損失の削減方法は、この特許において集積することすなわち、特許文献２に開示される。この特許で示されるよう同一基板上で外部共振レーザの利得媒質を伴う光変調器である利得部と光学変調器の間に部分反射鏡を追加することにより集積を実現する幾つかの方法は、すなわち、エッチングされた端面や、ループ鏡および分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）が提案されている。しかしながら、エッチングされた端面は、変調器の入力端面でファブリーペロー共振器を生成し、波長依存性を有する反射率をもたらす。ループ鏡は、半導体チップの大きな面積を必要とし、ＤＢＲは、本質的に、バンド幅が制限されている。それゆえ、これらの解決方法は、外部共振器型波長可変レーザの使用は実用的でない。

そこで、他の光学的機能と外部共振器型波長可変レーザの集積のためのよりよき方法が必要とされている。

特開平１０−２２３９９１号公報 米国特許第６２９５３０８号明細書

本発明の目的は、従って、半導体レーザ素子と光機能素子とが集積された光集積装置、光出力方法並びにその製造方法に関して、小型で、波長可変幅が広く、光素子間の結合損失が小さい光集積装置、光出力方法並びにその製造方法を提供することにある。

本発明に係る光集積装置は、光集積回路チップ上に形成された第一の反射ミラーと、前記光集積回路チップの外に形成され、前記第一の反射ミラーと共にレーザ共振器を構成する第二の反射ミラーと、前記光集積回路チップ上の、前記レーザ共振器のレーザ発振光の光路上に形成された光分岐部と、を有する。

また、本発明に係る光出力方法は、半導体チップの内部と前記半導体チップの外部とで光を共振してレーザ発振光とする工程と、前記レーザ発振光を分岐して分岐光とする工程と、前記分岐光を出力光として前記半導体チップの外部に出力する工程と、からなる。

さらに、本発明に係る光集積装置の製造方法は、光集積回路チップ上に第一の反射ミラーを形成する工程と、前記光集積回路チップの外に第二の反射ミラーを形成する工程と、前記光集積回路チップ上の、レーザ共振器のレーザ発振光の光路上に、光分岐部を形成する工程と、を有する。

本発明では、半導体レーザと光機能素子の光集積装置に外部共振器構造を採用することでレーザ発振の波長可変幅を広くしている。さらに、外部共振器レーザを構成する利得部および第１反射ミラーと、光機能素子部および光分岐部を同一基板上に形成した光集積回路チップを用いている。これにより光集積装置の高集積化、高機能化を図ると共に光素子間の結合損失を小さくしている。また、基板上に形成されたレーザ共振器内に光分岐部を設けることで小さな結合損失でレーザ光を分離することができる。

本発明に従えば、可変波長の広いレンジを提供し、結合損失を削減しうる小型の光集積装置を提供できる。

本発明は、小型で、波長可変幅が広く、他の光機能素子との結合損失が小さい光集積装置を提供するという目的を達成する。

以下、本発明の第１の実施の形態について図１、図２を参照して説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態である光集積回路の構成を示す上面図である。図１に示すように、光集積回路チップ１０には、光アンプ部２０、光分岐部３４、位相調整部１８、反射鏡３６、および、マッハツェンダー型光変調器（Mach-Zehnder optical modulator）２２が基板上にモノリシック集積されている。光集積回路チップ１０の入力および出力端面には、それぞれ低反射コーティング（Anti-Reflection coating）１２、１４が施されている。

さらに、集積回路チップ１０の外には、レンズ３０、光学フィルタ３２、外部共振器ミラー２８が配置され、利得部となる光アンプ（SOA: semiconductor optical amplifier）部２０と、第１反射ミラーとなる反射鏡部３６、および、第２反射ミラーとなる外部共振器ミラー２８により外部共振器型レーザを構成している。

外部共振器ミラー２８は、基板に多層反射膜をコーティングすることで形成される。本実施の形態では、光フィルタ３２は、エタロンの屈折率の変化によって適切な波長の選択が可能であり、その結果、透過ピーク波長のシフトが生じる。エタロンのレイアウトに依存して、例えば温度または電圧の変化によって実現しうる。

外部共振部からの光出力を取り出すための光分岐部として、光分岐部３４は反射部３６と光アンプ部２０の間に位置する。出力は分割されて、一方は、光変調器へ導波される。他方は、共振器を形成するのに必要なフィードバックを提供する反射部へ導波される。１×２型マルチモード干渉導波路以外に２×２型マルチモード干渉導波路、Ｙ分岐導波路または方向性結合器は、光分岐部として使用されうる。

位相制御部１８は、反射部３６と光分岐部３４の間に位置し、電流を注入して、実効的な反射率を変化させることによって、発振波長を精密に調整するために使用される。

位相制御部１８への注入電流によって、実効的な反射率は変化し、発振波長は正確に調整されうる。

図１に示すように、本発明の第１の実施の形態では、光機能素子部としてマッハツェンダー型光変調器２２を用いている。部分反射鏡１６からの出力光は、マッハツェンダー型光変調器２２で変調されて光ファイバ２４へ光集積回路チップの端面から出射される。

反射部３６は光集積回路チップ内で提供される場合には、エッチングで空間が形成されて、金（ＡＵ）が供給されて金属がコーティングされ、またはチップ内でエッチングされて形成されるエアギャップ又は回折格子により、光ビームの反射を可能にしている。例えば、光分岐部３４は、１×２型マルチモード干渉導波路として構成される。

光集積回路チップ上に形成される能動導波路、受動導波路は、基板上にモノリシック形成することが好ましい。

なお、第１の実施の形態では、光分岐部として方向性結合器を用いたが、これに限られるものではない。例えば、２×２型ＭＭＩ（マルチモード干渉（multi-mode interference））導波路を用いてもよい。

方向性結合器の例として、部分反射鏡の透過率と反射率は、結合器のｘ／１−ｘのパワー分割比と反射部Ｒ_１の電力反射率によって決定される。全体の電力透過率Ｔおよび電力反射率Ｒは、

マッハツェンダー型光変調器は第１の実施の形態の光学機能素子として使用されるが、この構成に限定されるものではない。例えば、電界吸収型変調器や可変光減衰器を搭載しても良い。

透過型フィルタは、今回の特定のケースでは、エタロンであって、光集積回路チップと光学フィルタを形成するための外部共振器ミラー２８との間に配置されるが、外部共振器ミラー２８の面型の反射型波長選択素子を供給することによって、代用可能である。例えば、その表面上に形成される回折格子を有する外部共振器ミラーは、外部共振器ミラーとしても要求された波長を選択するよう操作されうるように使用される。

第１の実施の形態の光集積回路チップの生産工程は、以下の通り説明される。バンドギャップ波長が１．５８μｍのＭＱＷ構造を含むＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰダブルへテロ構造はＩｎＰ基板の上に積層される。そのあと、受動層と位相部２０を形成するための部分は、切り出され、１．３μｍのバンドギャップである光学導波路コア層はその切り出された部分内に形成される。次に、所望の導波路形状にメサエッチングした後、埋め込み層でメサ型導波路を埋め込む。なお、光集積回路チップへの光入出力に際し端面からの戻り光の影響を低減させるために、外部共振器ミラー２８からの反射光に対して導波路端面が垂直にならないようにチップのＡＲコート（１２、１４）への導波路を傾けて配置させる方が好ましい。具体的には７度から１０度程度傾くように形成している。最後に、素子分離のためのエッチングおよび能動導波路部の電極形成を行って光集積回路チップを完成させる。

図２は、本発明の第２の実施の形態の変形例である。図２に示されるように、反射部の位置はチップ内に限られるわけではなく、曲がり導波路を光集積回路の側面まで延長されてもよい。

光集積回路チップ上に形成される能動導波路、受動導波路は、基板上にモノリシック集積することが好ましい。

本発明に従い光集積回路は、情報通信用途、特に光ネットワーク信号源として有意である。

本発明の第一の実施例に従った光集積装置の回路図である。 本発明の第二の実施例の光集積装置の他の配置を示す回路概観図である。 従来の半導体外部共振器レーザ素子の回路図である。 従来の光結合を示し、このレーザダイオードと光変調が集積されている回路図である。

Claims (13)

1. 基板と、その上に形成された光機能素子部と、光分岐部と、光利得部と、第一の反射ミラーと、を含む光集積回路チップと、前記光集積回路チップの外に形成され、前記第一の反射ミラーおよび前記光利得部と共にレーザ共振器を構成する第二の反射ミラーと、を備え、前記光分岐部は、前記第一の反射ミラーと前記光利得部の間に位置し、前記光分岐部からの出力は分光されて一方は光機能素子部へ導波され、他方は共振器を形成するのに必要なフィードバックを提供することを特徴とする光集積素子。
2. 前記光分岐部は、１×２型マルチモード干渉導波路、２×２型マルチモード干渉導波路、Ｙ分岐導波路または方向性結合器のいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の光集積装置。
3. 前記第一の反射ミラーは、エッチングされた端面を有することを特徴とする請求項１または２に記載の光集積装置。
4. 前記第一の反射ミラーは、壁開された端面を有することを特徴とする請求項１または２に記載の光集積装置。
5. 前記光集積回路チップは更に、前記光集積回路チップの端面へ光を導波することを可能とした、傾斜した導波路を有することを特徴とする請求項１乃至４いずれかひとつに記載の光集積装置。
6. 前記光集積回路チップは更に、無反射コートされた端面を有することを特徴とする請求項１乃至５いずれかひとつに記載の光集積装置。
7. 前記第一の反射ミラーと前記光分岐部との間に、位相調整部を有することを特徴とする請求項１乃至６いずれかひとつに記載の光集積装置。
8. 前記第二の反射ミラーの前に、光学フィルタを有することを特徴とする請求項１乃至７いずれかひとつに記載の光集積装置。
9. 前記光学フィルタまたは前記第二の反射ミラーは、調節可能なフィルタ機能を有することを特徴とする請求項８に記載の光集積装置。
10. 前記光学フィルタは、調節可能なフィルタ機能を有するエタロンであることを特徴とする請求項８に記載の光集積装置。
11. 前記光機能素子は、少なくとも、マッハツェンダー型光変調器と、電界吸収型変調器と、可変光減衰器と、のいずれか一つを有することを特徴とする請求項１に記載の光集積装置。
12. 前記エッチングされた端面は、金属膜または回折格子または多層反射膜を有することを特徴とする請求項３に記載の光集積装置。
13. 前記壁開された端面は、金属膜または多層反射膜を有することを特徴とする請求項４に記載の光集積装置。

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